ANALISA PENGARUH JARAK NOSEL DENGAN CONSTANT AREA SECTION PADA PERFORMANSI STEAM EJECTOR MENGGUNAKAN CFD

Transkripsi

1 TUGAS SARJANA BIDANG KONVERSI ENERGI ANALISA PENGARUH JARAK NOSEL DENGAN CONSTANT AREA SECTION PADA PERFORMANSI STEAM EJECTOR MENGGUNAKAN CFD Diajukan Sebagai Syarat Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata Satu (S-1) Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Disusun oleh: M. SUDIRO HUTOMO L2E JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2009

2 TUGAS SARJANA Diberikan kepada Dosen Pembimbing Jangka Waktu Judul Isi Tugas : Nama : M. Sudiro Hutomo NIM : L2E : 1. Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT : 6 (enam) bulan : ANALISA PENGARUH JARAK NOSEL DENGAN CONSTANT AREA SECTION PADA PERFORMANSI STEAM EJECTOR MENGGUNAKAN CFD : - Mengetahui sistem refrigerasi ejector. - Mengetahui fungsi dan karakteristik serta bagianbagian dari steam ejector. - Mengetahui cara kerja FLUENT Mendapatkan hasil simulasi dari FLUENT Semarang, Desember 2009 Menyetujui Pembimbing I Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT NIP ii

3 HALAMAN PENGESAHAN Laporan Tugas Sarjana dengan judul ANALISA PENGARUH JARAK NOSEL DENGAN CONSTANT AREA SECTION PADA PERFORMANSI STEAM EJECTOR MENGGUNAKAN CFD telah diperiksa dan disetujui pada : Hari :... Tanggal : Menyetujui, Pembimbing I Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT NIP Mengetahui, Koordinator Tugas Sarjana Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT NIP iii

4 ABSTRAKSI Refegerasi steam ejector merupakan sistem refigerasi dengan memanfaatkan panas buangan dari sistem pembakaran, sistem pembangkit daya, dan proses-proses industri untuk menghasilkan sistem refrigerasi yang berguna. Steam ejector berfungsi untuk menggantikan fungsi kompresor mekanik sebagai pompa refrigerant untuk bersikulasi dalam sistem refigerasi. Refrigerasi steam ejector menggunakan daya kecil untuk memompakan refrigerannya, namun memiliki nilai COP (Coefficient Of Performance) yang rendah. Performansi steam ejector berpengaruh terhadap performansi sistem refrigerasi, kinerja steam ejector dilihat dari besarnya nilai entrainment ratio yaitu perbandingan laju aliran massa suction dengan laju aliran massa motive. Peningkatan nilai entrainment ratio dapat meningkatkan nilai COP sistem refrigerasi, oleh karena itu penting dilakukan penelitian karakteristik dan desain efisien steam ejector untuk memperbaiki performansinya. Dalam penelitian ini, Computational Fluid Dynamics (CFD) digunakan untuk memprediksi fenomena aliran dan performansi steam ejector. Simulasi dilakukan dengan memodifikasi jarak nosel dengan constant-area section steam ejector dan memvariasikan kondisi operasi tekanan dan temperatur dari motive (boiler) dan suction (evaporator). Jarak nosel dengan constant-area (throat) section steam ejector divariasikan dari 0.1 sampai 5 kali diameter constant-area section. Variasi temperatur motive yang diberikan yaitu 85 o C, 95 o C, dan 115 o C sedangkan variasi temperatur suction yang diberikan yaitu 27 o C, 32 o C, dan 35 o C. Hasil simulasi menunjukkan performansi optimum diperoleh pada jarak nosel antara 1.5 sampai 4 kali diameter constant-area section. Semakin besar diameter throat nosel maka nilai entrainment ratio semakin menurun. Semakin tinggi temperatur motive maka nilai entrainment ratio semakin menurun sedangkan semakin tinggi temperatur suction maka nilai entrainment ratio semakin meningkat. Kunci kata : COP, steam ejector, entrainment ratio, jarak nosel dengan constantarea section iv

5 ABSTRACT Steam ejector refrigeration is refrigeration system utilize waste heat from combustion engine, power plants, and industrial processes to generate the useful refrigeration. Steam ejector is used to replace the mechanical compressor as refrigerant pumping for circulation in the refrigeration system. Steam ejector refrigeration is using lower-grade power for pumping refrigerant, but COP (Coefficient Of Performance) is low. The steam ejector performance directly affects the refrigerating system performance, the performance of steam ejector can be represented by entrainment ratio defined by ratio of suction mass flow rate to motive mass flow rate. Entrainment ratio value increase will be the refrigeration system COP value increases, because of that an investigation on characteristic and an efficient design of ejector are important to improve ejector refrigeration system performance. In this study, the Computational Fluid Dynamics (CFD) is used to predict the flow phenomena and steam ejector performance. Simulation was done by modifying the nosel distance with constantarea section of steam ejector and by varying the operation condition such as pressure and temperature of motive (boiler) and suction (evaporator). The nosel distance with constant-area (throat) section of steam ejector was varied from 0.1 to 5 times the constant-area section diameter. The temperatur of motive was varied at 85 o C, 95 o C, dan 115 o C while temperature of suction was varied at 27 o C, 32 o C, dan 35 o C. The results of simulation show optimum performance get in nosel distance between 1.5 to 4 times constant-area section diameter. The bigger nosel throat the entrainment ratio`s value will decrease. The higher temperature of motive the entrainment ratio`s value will decrease while the higher temperature of suction the entrainment ratio`s value will increase. Keywords : COP, steam ejector, entrainment ratio, nosel distance with constantarea section v

6 MOTTO Sesungguhnya, Aku mengingatkan kepadamu supaya kamu tidak termasuk orang-orang yang tidak berpengetahuan. (QS Hud : 46) Tak ada rahasia untuk menggapai sukses. Sukses itu dapat terjadi karena persiapan, kerja keras, dan mau belajar dari kegagalan. (General Colin Powell) PERSEMBAHAN Kupersembahkan Tugas Sarjana ini kepada Mama, Papa, dan Adik-Adikku Tercinta... Terima kasih atas berbagai dukungan dan doa yang telah diberikan... vi

7 KATA PENGANTAR Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena berkat rahmat-nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul ANALISA PENGARUH JARAK NOSEL DENGAN CONSTANT AREA SECTION PADA PERFORMANSI STEAM EJECTOR MENGGUNAKAN CFD. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan, bantuan, serta dukungan kepada : 1. Dr. MSK. Tony Suryo Utomo, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing I dan Koordinator Tugas Akhir. 2. Dr.Ir.Dipl.Ing. Berkah Fajar T K, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro Semarang. 3. Kedua orang tua dan adik-adik atas doa, bantuan serta dorongannya selama ini. 4. Rekan-rekan satu kelompok Tugas Sarjana Steam Ejector (Sdr. Guntur, Rahardian dan Didit). 5. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin angkatan 2004, 2005, 2006, dan 2007 yang telah banyak membantu penulis baik secara moril, maupun materiil. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi yang ada dalam laporan ini. Terima kasih. Semarang, Desember 2009 Penulis vii

8 DAFTAR ISI JUDUL... i TUGAS SARJANA... ii PENGESAHAN... iii ABSTRAKSI... iv ABSTRACT... v MOTTO DAN PERSEMBAHAN... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii NOMENKLATUR... xvii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Metode Penyelesaian Masalah Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI Sistem Refrigerasi Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sistem Refrigerasi Ejector Steam Ejector Bagian-bagian Steam Ejector Karakteristik Operasi Steam Ejector Performa Steam Ejector viii

9 2.3 Aliran Kompresibel Aliran Isentropik Aliran Isentropik dengan Perubahan Area Converging-Diverging Nozzle BAB III METODA VOLUME HINGGA DALAM FLUENT FLUENT Skema Numerik Metode Solusi Segregated Metode Solusi Coupled Diskretisasi First-Order Upwind Second-Order Upwind Scheme Power Law Scheme Bentuk Linearisasi Persamaan Diskrit Under-Relaxation Diskretisasi Coupled Solver Aturan Persamaan-persamaan dalam Bentuk Vektor Preconditioning Diskritisasi Temporal untuk Steady-State Flows Model Turbulen (Turbulence Models) Permodelan k-epsilon (k-ε) Standart RNG Realizable Permodelan k-omega (k-ω) Standart SST Adapsi Grid Proses Adapsi Hanging Node Adaption ix

10 Conformal Adaption Adapsi Y + dan Y * Jenis Grid Kualitas Mesh Kerapatan Nodal Kehalusan (smoothness) Bentuk sel BAB IV SIMULASI NUMERIK FLUENT Model Ejector Proses Simulasi Simulasi Steam Ejector Pembentukan Model dan Kondisi Batas Penggenerasian Mesh Solver dan Model Viskos Pendefinisian Material Pendefinisian Kondisi Operasi dankondisi Batas Kondisi Operasi Pressure_Inlet dan Pressure_Outlet Initialize Diskritisasi dan Adapsi BAB V ANALISA HASIL SIMULASI Model Viscous Efek Temperatur Dan Tekanan Boiler (Motive) Efek Temperatur Dan Tekanan Evaporator (Suction) Efek Variasi Jarak Nosel Terhadap Entrainment Ratio Untuk Kondisi Motive Pada Critical Mode Efek Variasi Jarak Nosel Terhadap Entrainment Ratio Untuk Kondisi Motive Pada Critical Mode x

11 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

12 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Ringkasan literatur desain optimal steam ejector Tabel 4.1 Dimensi Nosel Tabel 4.2 Dimensi Rasio Area Tabel 4.3 Jarak Nosel Tabel 4.4 Tipe Kondisi Batas Tabel 4.5 Variasi Tekanan Pada Evaporator (Suction) (Ps) Tabel 4.6 Variasi Tekanan Pada Boiler (Motive) (Pm) Tabel 5.1 Data Nosel A Berdasarkan Literatur [6] Tabel 5.2 Hasil Simulasi Model-model viscous Tabel 5.3 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel A Dengan Variasi Temperatur Boiler Tabel 5.4 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel E Dengan Variasi Temperatur Boiler Tabel 5.5 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel X Dengan Variasi Temperatur Boiler Tabel 5.6 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel A Dengan Variasi Temperatur Evaporator Tabel 5.7 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel E Dengan Variasi Temperatur Evaporator Tabel 5.8 Tabel Hasil Simulasi Ejector Nosel X Dengan Variasi Temperatur Evaporator Tabel 5.9 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel A Tabel 5.10 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel E Tabel 5.11 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel X Tabel 5.12 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel A Tabel 5.13 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel E Tabel 5.14 Entrainment Ratio Dari Variasi Jarak Nosel Pada Nosel X xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Skema Ejektor Refrigerasi... 1 Gambar 1.2 Siklus Refrigerasi Ejektor... 2 Gambar 2.1 Skema Sistem Refrigerasi... 6 Gambar 2.2 Skema Siklus Kompresi Uap... 9 Gambar 2.3 Diagram P-h Siklus Kompresi Uap... 9 Gambar 2.4 Skema Refrigerasi Steam Ejector Gambar 2.5 Profil Tekanan dan Kecepatan Aliran Dalam Steam Ejector Gambar 2.6 Diagram T-s siklus Steam Ejector Gambar 2.7 Kombinasi Siklus Kompresi Uap dan Refrigerasi Ejector Gambar 2.8 Gambar Steam Ejector Gambar 2.9 Desain Steam Ejector Gambar 2.10 (a) constant-pressure mixing ejector (b) constant-area mixing ejector Gambar 2.11 Desain Steam Ejector Gambar 2.12 Variasi Tekanan dan Kecepatan Aliran Sepanjang Steam Ejector Gambar 2.13 Mode Operasi Steam Ejector Gambar 2.14 Kontrol volume sebagai analisis dari Aliran Isentropik Gambar 2.15 Efek Bilangan Mach pada Nosel dan Diffuser Gambar 2.16 Operasi pada Converging dan Diverging Nozzle Gambar 3.1 Prosedur solusi perhitungan dalam FLUET Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi FLUENT Gambar 3.3 Diagram Alir Metode Solusi Segregated Gambar 3.4 Diagram Alir Metode Solusi Coupled Gambar 3.5 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar Gambar 3.6 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar pada model sel 2D quadrilateral Gambar 3.7 Variasi Variable φ antara x = 0 dan x = L xiii

14 Gambar 3.8 Contoh Hanging Node Gambar 3.9 Hasil Conformal Refinement Gambar 3.10 Conformal Coarsening dengan Menghilangkan Titik dan Menyegitigakan Kembali Gambar 3.11 Hasil Meshing Menggunakan Adapsi Gambar 3.12 Tipe Sel 2D Gambar 3.13 Tipe Sel 3D Gambar 4.1 Model dasar ejector menggunakan dimensi nosel A Gambar 4.2 Diagram Alir Preprocessing Gambar 4.3 Diagram Alir Solving Gambar 4.4 Ejector Nosel A Gambar 4.5 Ejector Nosel E Gambar 4.6 Ejector Nosel X Gambar 4.7 Bagian Ejector Yang Divariasikan Jaraknya Gambar 4.8 Jarak Constant area duct dengan nosel Gambar 4.9 Grid Quadrilateral pada Domain Gambar 4.10 Panel Pendefinisian Material Gambar 4.11 Panel Kondisi Operasi Gambar 4.12 Panel Pressure_Inlet Gambar 5.1 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel A Dengan Variasi Tekanan Boiler (Motive) Gambar 5.2 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel E Dengan Variasi Tekanan Boiler (Motive) Gambar 5.3 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel X Dengan Variasi Tekanan Boiler (Motive) Gambar 5.4 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Motive 85 o C Gambar 5.5 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Motive 115 o C Gambar 5.6 Grafik Performansi Operasi Optimal Dari Variasi Tekanan Boiler (Motive) Pada Setiap Model Nosel xiv

15 Gambar 5.7 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Motive 85 o C Gambar 5.8 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel X Pada Temperatur Motive 85 o C Gambar 5.9 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel A Dengan Variasi Tekanan Evaporator (Suction) Gambar 5.10 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel E Dengan Variasi Tekanan Evaporator (Suction) Gambar 5.11 Grafik Performansi Operasi Model Ejector Nosel X Dengan Variasi Tekanan Evaporator (Suction) Gambar 5.12 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Suction 27 o C Gambar 5.13 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Suction 35 o C Gambar 5.14 Grafik Performansi Operasi Optimal Dari Variasi Tekanan Evaporator (Suction) Pada Setiap Model Nosel Gambar 5.15 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel A Pada Temperatur Suction 37 o C Gambar 5.16 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector Nosel X Pada Temperatur Suction 37 o C Gambar 5.17 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector pada Critical Mode Gambar 5.18 Grafik Nilai Entrainment Ratio (ω) Untuk Tekanan Dan Temperatur Boiler Pada Critical Mode Gambar 5.19 Kontur Bilangan Mach Pada Jarak Nosel Dengan Constant-Area Section Sebesar 1,5D Gambar 5.20 Kontur Bilangan Mach Pada Nosel X Gambar 5.21 Distribusi Tekanan Statik Sepanjang Ejector X Untuk Beberapa Variasi Jarak Nosel Pada Kondisi Kritis Di Boiler (Motive) Gambar 5.22 Distribusi Bilangan Mach Sepanjang Ejector X Untuk Beberapa Variasi Jarak Nosel Pada Kondisi Kritis Di Boiler (Motive) Gambar 5.23 Kontur Bilangan Mach Steam Ejector pada Critical Mode xv

16 Gambar 5.24 Grafik Nilai Entrainment Ratio (ω) Untuk Tekanan Dan Temperatur Evaporator Pada Critical Mode Gambar 5.25 Kontur Bilangan Mach Pada Nosel X Gambar 5.26 Distribusi Tekanan Statik Sepanjang Ejector X Untuk Beberapa Variasi Jarak Nosel Pada Kondisi Kritis Di Evaporator (Suction) Gambar 5.27 Distribusi Bilangan Mach Sepanjang Ejector X Untuk Beberapa Variasi Jarak Nosel Pada Kondisi Kritis Di Evaporator (Suction) xvi

17 Nomenklatur A area, m 2 c kecepatan suara, m/s C p panas spesifik pada tekanan konstan, kj kg -1 K -1 C v panas spesifik pada volume konstan, kj kg -1 K -1 d diameter, m F gaya, N h entalpi, kj kg -1 laju aliran massa, kg s -1 M bilangan Mach P tekanan, MPa P c * tekanan kritis ejector, MPa P e tekanan uap pada sisi masuk suction, MPa P m tekanan uap pada sisi masuk motive, MPa Q kalor, J R konstanta gas, kj kg -1 K -1 T temperatur, K V gas velocity, m s -1 W daya, hp x posisi nosel, m ρ densitas, kg m -3 γ C p /C V ω entrainment ratio gradien fluks Superscripts * mode kritis pada steam ejector Subscripts c sisi kelua ejector, kondensor co batas kondisi dari mode operasional ejector e sisi masuk dari aliran, evaporator g nosel motive m motive p1 sisi keluar nosel s suction atau sisi aliran masuk t throat ejector y lokasi chocking untuk sisi masuk xvii

18